CN110058093A - 用于真空、变温环境下固体绝缘材料空间电荷检测系统 - Google Patents

Abstract

一种用于真空、变温环境下固体绝缘材料空间电荷检测系统，包括：设置于真空腔内的待测试样和高压电极以及设置于真空腔外部的冷热循环模块、检测模块以及与高压电极相连的电源模块，其中：待测试样和冷热循环模块对称设置于真空腔的底部内外侧，冷热循环模块通过热传导调节真空腔内试样的温度环境，检测模块将空间电荷信号转化为电信号并传送至后续检测机构。本发明通过将高压电极与试样置于真空腔中，其余配件均外置的结构，从而能够有效防止真空腔内真空、变温环境对器件的损坏。

Description

用于真空、变温环境下固体绝缘材料空间电荷检测系统

技术领域

本发明涉及的是一种固体绝缘材料测试领域的技术，具体是一种基于电声脉冲法检测原理的用于真空、变温环境下固体绝缘材料空间电荷检测系统。

背景技术

固体绝缘材料用于隔离电气设备中不同电位的导电部分，以保证电气设备的安全、稳定运行。目前的空间电荷检测主要采用电声脉冲法(PEA)。由于常规的电气设备常在标准大气压下运行，现有绝缘材料的空间电荷测量和分析研究主要集中在标准大气压下，设备也仅能满足标准大气压下的要求。但随着航天工业的发展，电气设备在太空等真空、变温环境下的应用也得了快速发展，为保证航天用电气设备的安全、稳定运行，有必要针对真空、变温环境下绝缘材料中的空间电荷开展检测技术和分析研究。

发明内容

本发明针对现有空间电荷检测装置仅适用于标准大气压下的局限，提出一种用于真空、变温环境下固体绝缘材料空间电荷检测系统，通过将高压电极与试样置于真空腔中，其余配件均外置的结构，从而能够有效防止真空腔内真空、变温环境对器件的损坏。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：设置于真空腔内的待测试样和高压电极以及设置于真空腔外部的冷热循环模块、检测模块以及与高压电极相连的电源模块，其中：待测试样和冷热循环模块对称设置于真空腔的底部内外侧，冷热循环模块通过热传导调节真空腔内试样的温度环境，检测模块将压力信号转化为电信号并传送至后续检测机构。

所述的高压电极包括依次连接的均压球、金属铝柱和半导电层，其中：半导电层设置于金属铝柱与试样之间，以实现空间电荷中声波信号的匹配，均压球与电源模块相连并接收高压交直流电压和高压电脉冲，从而为待测试样提供检测要求的交、直流电场，以模拟绝缘材料在不同运行工况下的电场的同时在待测试样内部形成电脉冲电场。

所述的真空腔上设有高压法兰穿透件，高压电极通过高压法兰穿透件与电源模块相连。

所述的真空腔上优选设有用于检测真空系统内的真空度的真空计、用于抽出真空系统内的气体的真空泵和用于从真空腔内放气，降低真空度的放气阀。

所述的电源模块包括：高压交直流电压部分和高压电脉冲部分，其中：高压交直流电压部分包括高压交直流电源和与之相连的限流电阻，高压电脉冲部分包括高压电脉冲源和与之相连的耦合电容和匹配电阻，限流电阻以及耦合电容的另一端与高压电极相连，匹配电阻的另一端接地，限流电阻用于限制试样击穿时的高压交直流电源的电流；耦合电容用于隔离高压电脉冲源与高压交直流电源；匹配电阻用于高压电脉冲源输出脉冲在试样侧的匹配，防止电脉冲反射。

所述的冷热循环模块为液体循环调温机构，通过高/低温的液体不断循环，以传导方式为真空腔中的待测试样提供不同温度的检测环境。

所述的检测模块内置压电传感器，将压力信号转化为电信号并输出。

所述的待测试样采用但不限于均匀薄片，该薄片被紧压在高压电极与真空腔下盖板之间。

本发明涉及上述系统的测试方法，通过抽气泵对真空腔抽气以达到所需真空度，同时从真空腔底部固定的冷热循环模块启动恒定温度液体的循环，通过热交换进行温度控制；然后启动高压交直流电源与高压电脉冲源经过电压匹配模块后由高压法兰穿透件引到金属电极并施加在待测试样上，最后由压电传感器将空间电荷在待测试样上产生的声脉冲采集并转化为电信号并传送至后续检测机构。

技术效果

与现有技术相比，本发明构建出了一个接近真空的环境，并通过对腔体的设计使得高压源、脉冲源能接入腔体内部的电极上，试样的温度也可控制。能够实现真空、变温环境下的空间电荷测量。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为下底板上表面示意图；

图中：虚线为定位螺纹；

图3为高压电极及试样示意图；

图4为电压匹配模块示意图；

图5为实施例试样与电极分布图；

图6为实施例试样内部不同位置的空间电荷密度示意图；

图中：1真空腔顶板、2石英观察窗、3真空腔体柱、4真空腔底板、5真空计、6放气阀、7抽气口、8波纹管、9抽气泵、10液体管接口、11压电传感器、12安装通孔、13均压球、14金属铝柱、15半导电层、16待测试样、17高压交直流电源、18高压电脉冲源、19限流电阻、20耦合电容、21匹配电阻。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中包含：真空腔顶板1、石英观察窗2、真空腔体柱3、真空腔底板4、用于测量腔体真空度的真空计5、放气阀6、抽气口7、波纹管8、抽气泵9、液体管接口10、压电传感器11、安装通孔12、均压球13、金属铝柱14、半导电层15、待测试样16、高压交直流电源17、高压电脉冲源18、限流电阻19、耦合电容20、匹配电阻21，其中：抽气泵9通过波纹管8与抽气口7相连并从真空腔内部抽气；液体管接口10处接入恒温液体，以达到控制温度的作用；压电传感器11接收压力信号并以电信号形式输出；高压交直流电源17连接限流电阻19，高压电脉冲,连接耦合电容20与匹配电阻21，并通过安装通孔12进入真空腔，接入高压电极并最终加在待测试样上。

所述的真空腔顶板1、石英观察窗2、真空腔体柱3、真空腔底板4共同构建真空腔。

所述的放气阀6用于试验结束后向真空腔内放气，使得上盖板可以打开。

所述的均压球13、金属铝柱14以及半导电层15共同构成高压电极，将待测试样压在下盖板上。

所述的高压交直流电源与电压匹配模块的连接选用50kV高压线，高压电脉冲源与电压匹配模块的连接选用3kV/50Ω同轴线。高压交直流电源17的输出电压为0～50kV，限流电阻19的阻值为10MΩ，匹配电阻21的阻值为50Ω。所述的高压电脉冲源18的脉冲宽度小于10ns，输出电压为0～2kV，脉冲重复频率1Hz-2kHz。

所述的待测试样16置于下底板4的中心，被高压电极与下底板压紧，该待测试样16的上端与半导电片15紧密接触，为了减少接触面之间的气隙，并保证腔体内部的真空度，可以在半导电片15与待测试样16之间、待测试样16与下底板4之间涂抹硅油。

准备工作完成后，盖紧上盖板，抽气泵经过波纹管对腔体内部抽气至所需真空度；再通过恒温箱向液体通路输送恒温液体，保持试样周围温度恒定；打开高压交直流电源与电脉冲源，压电传感器接收到空间电荷信号并以电信号的形式将其输出，用于后续分析并最终得到待测试样内部空间电荷密度的数据。

本装置采用电声脉冲法，简称PEA法进行检测。实际测量中，待测试样与电极分布图如图5所示。测量时将高压直流电压和脉冲信号同时施加到试样上，此时绝缘材料与半导电之间的界面将会产生出极化电荷。在施加电压较高的情况下，还可能存在注入电荷的产生或者内部分子解离产生电荷的情况。当电声脉冲传播到试样内部空间电荷所在处时，会与空间电荷相互作用而产生一个力，使得电荷所在的微小介质体轻微振动，从而产生一个微小的声脉冲。这个声脉冲经过绝缘层与下电极，将会被压电传感器接受而转化为电压信号。经过放大器的放大作用后，电压信号则会被示波器和电脑软件采集。对此电压信号进行分析后，可以得到绝缘材料内部的空间电荷的位置分布以及大小分布等信息。

所述的高压电极与待测试样之间界面上的感应电荷可以分别表示为：

σ_A＝ε₀*ε_r*E_A

σ_C＝ε₀*ε_r*E_C

其中：σ_A、σ_C分别是上表面电极与试样之间界面上的感应电荷、下表面电极与试样之间界面上的感应电荷；ε₀、ε_r分别是真空介电常数、试样的相对介电常数；

在T＝0时刻，将宽度△T、幅值Vp的电脉冲信号施加到厚度为d的试样上，同时在试样上叠加一定的直流电压。

所述的压电传感器最终得到的声波分量可以表示为：

其中：σ_A、σ_C分别是上表面电极、下表面电极与试样之间界面上的感应电荷；K_A、K_B、K_C分别是电极A、试样B、电极C对应的电极透射系数；τ_A、τ_B、τ_C分别是声波传播过电极A、厚度为d的试样B以及电极C的时间；e_p是试样内部的电场；v_sa是声波速度。

再以此声波分量信号反卷积分析可得对应空间电荷信号，测试结果如图6所示。

本空间电荷测量装置可以在真空、变温环境下对绝缘材料进行空间电荷测量。此外本装置体积小，耐压等级高，可满足对固体电介质小试样、厚试样的测量需求。对本发明给出最大贡献的是真空腔腔体的设计。该设计使得空间电荷电极可以内置在真空腔中，高压电源与脉冲源通过高压法兰的通孔可以进入腔内并加在试样上，从而实现在气压1.0×10^-6Pa的条件下下对试样进行空间电荷的测量。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种用于真空、变温环境下固体绝缘材料空间电荷检测系统，其特征在于，包括：设置于真空腔内的待测试样和高压电极以及设置于真空腔外部的冷热循环模块、检测模块以及与高压电极相连的电源模块，其中：待测试样和冷热循环模块对称设置于真空腔的底部内外侧，冷热循环模块通过热传导调节真空腔内试样的温度环境，检测模块将压力信号转化为电信号并传送至后续检测机构；

所述的高压电极包括依次连接的均压球、金属铝柱和半导电层，其中：半导电层设置于金属铝柱与试样之间，以实现空间电荷中声波信号的匹配，均压球与电源模块相连并接收高压交直流电压和高压电脉冲，从而为待测试样提供检测要求的交、直流电场，以模拟绝缘材料在不同运行工况下的电场的同时在待测试样内部形成电脉冲电场；

所述的待测试样采用均匀薄片结构，该薄片被紧压在高压电极与真空腔下盖板之间。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的真空腔上设有高压法兰穿透件，高压电极通过高压法兰穿透件与电源模块相连。

所述的真空腔上设有用于检测真空系统内的真空度的真空计、用于抽出真空系统内的气体的真空泵和用于从真空腔内放气，降低真空度的放气阀。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的电源模块包括：高压交直流电压部分和高压电脉冲部分，其中：高压交直流电压部分包括高压交直流电源和与之相连的限流电阻，高压电脉冲部分包括高压电脉冲源和与之相连的耦合电容和匹配电阻，限流电阻以及耦合电容的另一端与高压电极相连，匹配电阻的另一端接地。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述真空腔系统内仅含金属铝柱、均压球和半导电层构成的高压电极，电压匹配模块中的限流电阻、耦合电容、匹配电阻均整体外置于真空腔系统外，以防止真空腔系统中的真空、变温环境对电压匹配模块中部件的损伤。检测时高压交直流电压和高压脉冲通过电压匹配模块调理后，由真空腔系统的高压穿透件引入到高压电极上。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的冷热循环模块为液体循环调温机构，通过高/低温的液体不断循环，以传导方式为真空腔中的待测试样提供不同温度的检测环境。